CN102050522B - 一种废水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废水处理方法，包含以下步骤：提供一反应槽，其内部盛水和多种微生物；将一含氮废水导入反应槽，并由反应槽排出出流水；其特征在于：由多种微生物的作用，硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应及化学需氧量的去除反应是同时且混合地在该单一反应槽中进行；其中，多种微生物包含硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌。本发明由于这些反应可在同一反应槽内同时且混合均匀地进行，因此可有效降低建置费用及提高操作上的便利性；此外，由于废水中的总氮主要是通过自营性脱硝菌的作用而被去除，因此可大大减少污泥产量及有机碳源需求量。
Description
技术领域
本发明与含氮废水处理技术有关，特别是指一种可在同一反应槽内同时进行硝化、自营性脱硝、异营性脱硝及化学需氧量去除的废水处理方法。
背景技术
家庭废水、畜牧业及养殖业废水、垃圾掩埋场渗出水以及工业废水之中，都含有大量的有机氮及氨氮，而目前用于处理含氮废水的方法中，以生物硝化脱硝法在业界最被广泛使用，也较为经济实惠。
传统的生物硝化脱硝反应如图1所示，首先微生物会先将有机氮氨化(Ammonification)，水解成NH4 +或NH3，接着将氨氮(NH4 +-N)转化成亚硝酸盐氮(NO2 --N)，再由亚硝酸盐氮继续氧化成硝酸盐氮(NO3 --N)，这些步骤为硝化阶段，这一阶段必须消耗大量的能源将氧气融入水体中，以便给氨氮及亚硝酸盐类提供电子接受者。随后进行脱硝阶段，由缺氧性异营脱硝菌利用有机碳源的代谢，同时将NO3 -还原为NO2 -，再连续还原为N2O及N2逸散至大气中。但一般含氮废水的有机碳源通常不足，故而操作者往往需由外界额外添加碳源，以为脱硝菌提供反应动力。整体来说，此种生物硝化脱硝法除了需耗费能源及添加碳源，而导致操作成本昂贵之外，异营菌进行脱硝时所产生的大量污泥也耗费了大量的污泥处理成本，再加上硝化阶段及脱硝阶段对水中溶氧量的需求不同，因此业界需针对好氧硝化及厌氧脱硝分别建立两套不同的系统，十分不符合经济效益。
除了上述的传统方法外，另一种厌氧氨氮离子氧化法(Anaerobic AmmoniumOxidation，ANAMMOX)也逐渐发展成熟，如美国第5,078,884号专利所揭示的，该方法可在厌氧的环境下，利用自营脱硝菌的作用，直接以NH4 +为电子提供者，以NO2 -作为电子接受者，并反应产生氮气从而达到去除水体中总氮的目的，除此之外，当水体中的NH4 +过量而NO2 -不足时，部分NH4 +也可先氧化为NO2 -再进行上述反应。然而，由于NH4 +的氧化需在好氧的环境下进行，故此一个厌氧氨氮离子氧化法也需建立两个以上的系统，分别供NH4 +氧化成NO2 -，以及NH4 +与NO2 -生成氮气所需，或是将这二种反应所需的微生物附着在不同的介质上。如此一来，除了导致建立系统的成本高昂之外，也提升了操作维护的复杂度，再者，此种厌氧氨氮离子氧化法也无法连带地去除水体中的化学需氧量。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种可同时进行异营性脱硝、自营性脱硝以及化学需氧量去除的废水处理方法，其硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应以及化学需氧量的去除，可在同一反应槽中进行。
为达到上述目的，本发明所提供的一种废水处理方法，包含以下步骤：提供一反应槽，其内部盛水和多种微生物，供多种微生物混合地在所述反应槽中生长；将一含氮废水导入所述反应槽，并由所述反应槽排出出流水；其特征在于：由所述多种微生物的作用，硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应及化学需氧量的去除反应是同时且混合地在该单一反应槽中进行；其中，所述多种微生物包含硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌；所述硝化反应是在所述硝化菌的作用下，将氨氮转化成亚硝酸盐氮，所述自营性脱硝反应是在所述自营性脱硝菌的作用下，以氨氮作为电子提供者，以亚硝酸盐氮作为电子接受者，产生氮气及硝酸盐氮，所述异营性脱硝反应是在异营性脱硝菌的作用下，消耗硝酸盐氮及化学需氧量。
上述本发明的技术方案中，所述多种微生物由硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌组成；
所述自营性脱硝菌在韩国典型菌种保藏中心(Korean Collection for TypeCultures，KCTC)的保藏编号为KCTC 11551BP。
所述微生物是悬浮地生长于所述反应槽中。
所述反应槽中导入有供硝化反应所需的氧气。
所述反应槽内部的溶氧浓度介于0.1～0.5mg/L之间。
所述硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应及化学需氧量的去除为混合均匀地在所述反应槽中进行。
采用上述技术方案，本发明由于可在同一反应槽中，同时进行硝化、自营性脱硝及异营性脱硝反应，因此可有效地去除含氮废水中的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及化学需氧量。再者，由于硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌是以悬浮且混合均匀的方式在反应槽中生长，因此无需建立两个以上的反应槽，或是提供两个以上的介质供其附着生长，因此可有效地降低建置成本，且操作维护上也更为简便；而且，由于废水中的总氮大多是利用自营脱硝菌的作用而被去除，更可大大降低污泥产量及有机碳源的需求量。
附图说明
图1是传统生物硝化脱硝反应的示意图；
图2是本发明一较佳实施例的装置示意图；
图3是本发明一较佳实施例氨氮浓度变化及去除百分比；
图4是本发明一较佳实施例COD浓度变化及去除百分比；
图5是自营性脱硝菌的基因序列；
图6-1及图6-2是自营性脱硝菌的比对结果。
具体实施方式
现举以下实施例并结合附图对本发明进行详细说明。
本发明所提供的废水处理方法，至少需要通过硝化菌、自营脱硝菌以及异营脱硝菌的作用才能发挥功效，其中，硝化菌及异营脱硝菌均大量地生长于传统生物硝化脱硝废水处理厂中，相当容易取得，自营性脱硝菌虽然普遍存在于自然界的水体或是废水处理厂的活性污泥中，但是数量相当少，因此需经过充分培养使其繁殖增生后才能使用。发明人采用活性污泥作为植种，并以污水处理厂实厂的连续混合式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)作为培养环境来培养自营脱硝菌，在培养的过程中，该反应器被加入含有高浓度氨氮的废水，并导入空气使得溶氧上升，该反应器内部原本就存在的硝化菌能以溶氧作为电子接受者进行硝化反应，而将氨氮转化成为亚硝酸盐，空气的导入除了提供给硝化作用外，也可提供完全混合动力，水体中的溶氧浓度建议维持在0.1-0.5mg/L之间，不宜过高，以0.2-0.3mg/L较佳。由于导入的空气量并不高，水中溶氧也不会明显上升，氨氮在硝化的过程中因溶氧不足而进行部分硝化到亚硝酸盐即停止，不会继续硝化至硝酸盐，故水体中具有充足的氨氮及亚硝酸盐，十分适合自营性脱硝菌利用氨氮结合亚硝酸盐直接进行脱硝反应而进行生长。经过3～4个月后，自营性脱硝菌即可培养完成，通过沉淀后，该自营性脱硝菌是以泥状颗粒的形式存在于该反应器的污泥中，颗粒尺寸为1～10mm不等，且外观呈红色，在视觉上可与其它硝化菌或异营性脱硝菌明显区隔，培养者甚至可手动将自营性脱硝菌的红色污泥挑出。培养完成的自营脱硝菌经鉴定为Kuenenia Stuttgartiensis，其为革兰式阴性菌，分类于浮霉菌门(Plantomycetes)；它在韩国典型菌种保藏中心(Korean Collection forType Cultures，KCTC)的保藏编号为KCTC11551BP，保藏日期为2009年8月21日。此自营性脱硝菌可在厌氧的环境中，以氨氮作为电子提供者，以亚硝酸盐氮作为电子接受者，并反应产生氮气及硝酸盐氮，其最适合的生长温度为35℃。其基因序列如图5所示，比对结果如图6-1、图6-2所示。
实际移植时，操作者需将该自营性脱硝菌的红色污泥倒入含有大量硝化菌及异营性脱硝菌的反应槽中，并持续供应含氮废水以及将溶氧量控制在之范围内，即可完成驯养，随后，自营性脱硝菌便可配合硝化菌及异营性脱硝菌，在同一反应槽中进行含氮废水的净化。
本发明所提供的废水处理方法，包含以下步骤：
提供一反应槽，其内部盛水和多种微生物，供多种微生物混合地在该反应槽中生长；
将一含氮废水导入该反应槽，并由该反应槽排出出流水；
通过多种微生物的作用，硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应及化学需氧量去除反应是同时且混合地在该单一反应槽中进行；
其中，该多种微生物包含硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌；
该含氮废水中的氨氮在硝化菌的作用下，配合氧气的供应，将进行硝化反应而被氧化成亚硝酸盐氮。该自营性脱硝反应是在自营性脱硝菌的作用下，以氨氮作为电子提供者，以亚硝酸盐氮作为电子接受者，并反应产生氮气及硝酸盐氮。该异营性脱硝反应是在异营性脱硝菌的作用下，消耗硝酸盐氮及化学需氧量，反应产生氮气。这些反应是同时在反应槽中混合均匀地进行，通过上述反应，该含氮废水中的氨氮及化学需氧量均可被有效地去除，达到净化的目的。
其中，该硝化菌、自营性脱硝菌及异营性脱硝菌为悬浮地且混合均匀地在反应槽中生长，除了连续混合式反应器之外，上述反应也可在连续批次式反应器(Sequencing Batch Reactor，SBR)中进行。
系统中低于0.5mg/L的溶氧对于硝化菌进行硝化反应虽然稍嫌不足，但因为系统中具有足量的氨氮，加上亚硝酸盐氮将通过自营性脱硝反应而迅速消耗，导致硝化反应的产物亚硝酸盐氮始终维持较低浓度，故系统中的硝化反应仍能以一特定的速度持续进行。
为了详细说明本发明的结构及特点，现举以下三较佳实施例说明如后，但并不代表本发明仅局限于这些实施例的内容。
实施例1：
如图2所示，本发明所提供的同时自营异营性脱硝结合化学需氧量去除的废水处理装置10，为一连续混合式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)，并包含有一反应槽12、微生物、多个曝气盘14、一曝气马达16以及一沉淀池18。
该微生物包含有硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌，并悬浮且混合均匀地生长在反应槽12之中，各曝气盘14设于反应槽12的内部底侧，曝气马达16与各曝气盘14连接，可将空气输送至反应槽12的液面下以增加溶氧，沉淀池18与反应槽12连接。曝气盘14及曝气马达16除了可提供适量氧气供硝化反应所需之外，也可提供完全混合动力，使反应混合均匀地进行。
待处理的含氮废水为直接导入反应槽12，并在反应后流入沉淀池18进行悬浮微粒的沉淀，其中，沉淀池18的上澄液可排收至外界，部分污泥由一管路20回流至反应槽12。废水处理装置10整体的水力停留时间(Hydraulic Retention Time，HRT)为24小时，污泥停留时间(Sludge retention time，SRT)为18天，水中的溶氧浓度为0.2-0.3mg/L，至于进流水中的污染物浓度、出流水的污染物浓度以及污染物的去除效率分别如图3及图4所示。如图3所示，进流水的氨氮浓度为介于900-1100mg-N/L之间，经过废水处理装置10处理后，出流水的氨氮浓度介于44-208mg-N/L之间，氨氮去除率高达78-95％。图4显示进流水的化学需氧量为618-833mg/L，出流水的化学需氧量为208-435mg/L，去除效率为46-63％，表示废水处理装置10可同时去除水中氨氮及化学需氧量。
实施例2：
同样采用连续混合式反应器，其HRT为24小时，SRT为18天，水中的溶氧浓度介于0.2-0.3mg/L之间，其进流水及出流水的各项污染物浓度如下：
此系统的总氮去除率为49.2％，经过计算，其中44.2％的总氮为利用自营脱硝菌的作用而转化为氮气回到大气中，另外5.0％是通过异营性脱硝菌的作用而回到大气，由于废水中的总氮主要是通过自营脱硝菌的作用而被去除，相比于现有的全部由异营脱硝菌的作用来去除的方法来说，本发明所提供的废水处理方法除可大大减少污泥产量以降低后续污泥处理成本外，也可有效降低有机碳源的需求量。至于化学需氧量(Chemical Oxygen demand，COD)的去除率则为33.4％，其中30.0％是被异营性脱硝菌所消耗，另外3.4％是被其它种类的异营菌所消耗。
实施例3：
也是采用连续混合式反应器，其HRT为24hr，SRT为18天，水中的溶氧浓度介于0.2-0.3mg/L之间，其进流水及出流水的各项污染物浓度如下：
此系统的总氮去除率为60.9％，经过计算，其中54.7％的总氮是利用自营脱硝菌的作用而转化为氮气回到大气中，另外6.2％是通过异营性脱硝菌的作用而回到大气，COD的去除率为42.9％，其中19.7％是被异营性脱硝菌所消耗，另外23.2％是被其它种类的异营菌所消耗。
由于本发明可在同一反应槽中，同时进行硝化、自营性脱硝及异营性脱硝反应，因此可有效地去除含氮废水中的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及化学需氧量。再者，由于硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌是以悬浮且混合均匀的方式在反应槽中生长，因此无需建立两个以上的反应槽，或是提供两个以上的介质供其附着生长，因此可有效地降低建置成本，且操作维护上也更为简便；而且，由于废水中的总氮大多是利用自营脱硝菌的作用而被去除，更可大大降低污泥产量及有机碳源的需求量。
Claims (7)
1.一种废水处理方法，包含以下步骤：
提供一反应槽，其内部盛水和多种微生物，供多种微生物混合地在所述反应槽中生长；
将一含氮废水导入所述反应槽，并由所述反应槽排出出流水；
其特征在于：
由所述多种微生物的作用，硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应及化学需氧量的去除反应是同时且混合地在该单一反应槽中进行；
其中，所述多种微生物包含硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌；
所述硝化反应是在所述硝化菌的作用下，将氨氮转化成亚硝酸盐氮，所述自营性脱硝反应是在所述自营性脱硝菌的作用下，以氨氮作为电子提供者，以亚硝酸盐氮作为电子接受者，产生氮气及硝酸盐氮，所述异营性脱硝反应是在异营性脱硝菌的作用下，消耗硝酸盐氮及化学需氧量。
2.如权利要求1所述的一种废水处理方法，其特征在于：所述多种微生物由硝化菌、自营性脱硝菌以及异营性脱硝菌组成。
3.如权利要求1或2所述的一种废水处理方法，其特征在于：所述自营性脱硝菌在韩国典型菌种保藏中心(Korean Collection for Type Cultures，KCTC)的保藏编号为KCTC 11551BP。
4.如权利要求1所述的一种废水处理方法，其特征在于：所述微生物是悬浮地生长于所述反应槽中。
5.如权利要求1所述的一种废水处理方法，其特征在于：所述反应槽中导入有供硝化反应所需的氧气。
6.如权利要求1所述的一种废水处理方法，其特征在于：所述反应槽内部的溶氧浓度介于0.1～0.5mg/L之间。
7.如权利要求1所述的一种废水处理方法，其特征在于：所述硝化反应、自营性脱硝反应、异营性脱硝反应及化学需氧量的去除为混合均匀地在所述反应槽中进行。
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